激光切割质量同轴视觉检测与控制的研究

论文摘要

激光切割是目前工业上最先进和最重要的材料裁切方法之一,对激光切割质量的实时检测与控制是该领域的前沿课题。本文通过同轴视觉传感系统同时获得切割前沿和切割火花簇射视觉图像,成功地提取了产生切割缺陷(过烧、挂渣)和切割面粗糙度变化时图像特征信号的变化规律,首次实现了以无切割缺陷并且在一定工艺条件下获得最高切割质量(最低切割面粗糙度)为目标的切割速度自寻优控制。在工艺实验的基础上,建立了切割面分层理论模型,实验研究和模型分析表明:切割面近下缘处是切割质量的最薄弱环节,此处粗糙度最高,切割前沿在下缘处的温度是决定下缘质量的主要因素。提出以近下缘粗糙度作为切割质量评价和检测的主要指标较合理。通过切割前沿视觉图像,无法获得切割面粗糙度的信息,但可以作为识别切割缺陷的判据。实验证明,过烧缺陷的特征是图像中切割前沿上缘和下缘波动发生向上跳变,而挂渣缺陷的图像特征是仅有下缘波动发生向上跳变。从侧面研究了切割过程中的火花簇射行为,发现了火花簇射视觉图像特征与切割速度以及切割面近下缘粗糙度之间有良好的对应关系:在一定工艺条件下,随着切割速度的变化,火花簇射喷射长度以具有极大值的倒U形曲线形式变化,最大的火花簇射喷射长度(即火花簇射视觉图像不同亮度带像素数的极大值)对应于最低的切割面近下缘粗糙度,此时的切割速度为该工艺条件下的最佳切割速度。这一发现为切割面质量的在线检测与寻优控制奠定了基础。为适应切割方向和切割位置的变化,论证了切割过程火花簇射主要视觉特征同轴检测的可行性,证明火花簇射的同轴视觉图像中最大火花簇射长度(火花簇射图像不同亮度带最大像素数)与最低的切割面粗糙度的对应关系仍然存在。在此基础上,建立了具有现场实用性的激光切割同轴视觉检测和控制系统及相应的图像处理方法。同时利用切割前沿和火花簇射同轴视觉图像上述特征信号的变化规律,进行了激光切割质量的实时检测与自寻优控制。结果表明,系统可以迅速寻找到最佳切割速度,达到无切割缺陷而且该工艺条件下切割面近下缘粗糙度最小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 国内外研究状况和进展
• 1.3 课题任务与论文主要内容
• 第2章 激光切割质量的分布特征分析
• 2.1 切割面质量分布的实验研究
• 2.2 切割面质量分布的理论研究
• 2.3 本章小结
• 第3章 切割前沿的在线检测方案研究
• 3.1 切割过程的热辐射源
• 3.2 热辐射的测量
• 3.3 点传感器测量切割前沿总辐射的方法
• 3.4 切割前沿视觉检测方法
• 3.5 本章小结
• 第4章 切割过程火花簇射行为的实验研究
• 4.1 火花簇射行为在线检测系统的建立
• 4.2 火花簇射行为的实验研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 实用化切割质量在线检测方法——火花簇射同轴检测的研究
• 5.1 系统组成
• 5.2 同轴视觉方案可行性分析
• 5.3 火花簇射同轴视觉检测实验及结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 激光切割质量的自寻优控制
• 6.1 自寻优控制策略
• 6.2 激光切割自寻优控制系统的建立
• 6.3 切割过程的自寻优控制
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果